Wilhelmine kam als drittes von vier Kindern des Ehepaares Moriz und Amalia Brill in Wien zur Welt. Nach ihrem Medizinstudium an der Universität Wien, wo sie 1914 promovierte, arbeitete Wilhelmine als Kinderärztin. Im September 1913 trat sie anlässlich der Verlobung mit dem Arzt Ernst Löwenstein aus der Israeltischen Kultusgemeinde (IKG) aus. Die zivile Eheschließung des Paares fand am 9. Oktober 1913 in Wien statt. Die Familie lebte mit den drei gemeinsamen Kindern Hans Georg (1914), Karl Otto (1916) und Erika (1919) zuerst in Wien 9, Maximilianplatz 15/5, dem heutigen Rooseveltplatz, später in einem 1916 von Wilhelmine erworbenen Haus in Wien 19, Bastiengasse 61. Wilhelmine Löwenstein übte ihren Beruf nach der Heirat und Familiengründung weiter aus. Sie arbeitete in der 1911 errichteten Kinderklinik von Clemens (von) Pirquet und spezialisierte sich – wie ihr inzwischen an der Universität Wien habilitierter Ehemann – auf die Behandlung von Tuberkulose bei Kindern. In der Zwischenkriegszeit engagierte sich Wilhelmine Löwenstein in der Frauenrechtsbewegung,1928 begründete sie gemeinsam mit Marianne Beth die Österreichische Vereinigung berufstätiger Frauen und stand diesem Verein als Präsidentin eine Zeit lang vor. 1929 war sie Gründungsmitglied des Clubs der Wiener Soroptimistinnen und fungierte als dessen Präsidentin. Beide Vereine wurde nach dem "Anschluss" Österreichs an das Deutsche Reich 1938 aufgelöst.

Ab März 1938 zählten Wilhelmine und Ernst Löwenstein zum Kreis der Verfolgten. Dem Widerruf der Venia legendi folgte am 22. April 1938 die Amtsenthebung Ernst Löwensteins. Die beiden Söhne Hans und Karl, die wie ihre Eltern Medizin studiert hatten, verloren im April 1938 ihre Anstellungen an der Universität Wien. Hans floh im Juni 1938 über Liverpool in die USA, Karl folgte im Dezember 1938. Tochter Erika, die seit 1937 mit Michael Robin A. Chance, einem bekannten Ethologen und Pharmakologen verheiratet war, lebte bereits in London, wohin auch Wilhelmine und Ernst Löwenstein im Juli 1938 flüchteten. In ihrer Vermögensanmeldung vom 8. Juli 1938 führte sie Immobilien, darunter den gemeinsam mit ihren Geschwistern geerbten "Industriepalast", ein Auto, das von der Polizei beschlagnahmt worden war, einige Aktien sowie die Praxis- und Wohnungseinrichtung mit Möbeln, Perserteppichen, Porzellan und Kunstwerken an, die sie als Heiratsgut der Tochter auswies. Der "Industriepalast" wurde im Herbst 1938 "arisiert" und in der Folge als "Haus des Heeres" von unterschiedlichen Dienststellen der Wehrmacht genutzt.

Mit einem NQIV-Visum (Non-quota Immigrant Visa) gelangten Wilhelmine und Ernst Löwenstein Anfang August 1938 in die USA. Sie ließen sich in San Francisco in Kalifornien nieder, wo Ernst eine Stelle an der Hooper Foundation der University of California antrat und Wilhelmine Löwenstein ihre Tätigkeit als Allgemeinmedizinerin aufnahm. Ihr Umzugsgut war im November 1940 beschlagnahmt und von der Vugesta verkauft bzw. versteigert worden. 1947 wurden die ihr entzogenen Immobilien zurückgestellt. 1955 folgte die Rückstellung des "Industriepalastes" an die Geschwister Brill bzw. deren ErbInnen. Wilhelmine Löwenstein starb am 1. August 1971 an den Folgen eines Unfalls in San Francisco.